Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

РАЗДЕЛ I

         Молекулярно-клеточный  уровень организации жизни

       Глава 1.       Клетка – основная форма организации живой материи……..

                     Предмет, задачи и методы цитологии……………

                      Основные положения клеточной теории………..

                  Биология клетки………….

                  Химический состав клетки

                  Неорганические вещества клетки……..

                  Органические соединения клетки…………                                   

                                    Протеины……………………………………………

                                    Углеводы……………………………………………..

                                    Липиды…………………………………………

                                Нуклеиновые кислоты…………………………………

                  Структурно-функциональная организация эукариотической клетки……

                               Молекулярное строение, свойства и функции клеточных мембран…………..

                                 Поверхностные рецепторы клеточных  мембран. Болезни. ……………..

                                 Механизмы транспорта веществ и трансмембранной передачи сигнала ……………….                          

                                 Цитоплазма как сложноструктурированная система…….

                                   Цитоскелет, структура и роль в клетке………..

                     Классификация. Структура и функции внутриклеточных органелл…………

                                 Ядро клетки…………………………..

                                 Хроматин, хромосомы, гаплоидия и диплоидия, кариотип…….

                                Митохондрии,  общая структура и функции………………………………

                                    Заболевания, обусловленные дефектами  митохондрий……….

                              Свободные рибосомы и полирибосомы                                                                 

                               Эндоплазматическая сеть:гранулярная эндоплазматическая сеть,

                               гладкая эндоплазматическая сеть……………..

                               Комплекс Гольджи   

                     Органеллы, удаляющие отходы и  чужеродные частицы                           

                                Лизосомы, структура и функции, болезни накопления…………..                                                         

                                Пероксисомы, структура и функции, пероксисомные болезни…..

                                Протеасомы, структура и функции………………………………

                               Включения клетки…………………………………………………

БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Клетка – основная форма организации живой материи

              Мир живой природы представлен огромным разнообразием  организмов, являющихся представителями царств Растений, Животных, Грибов, Бактерий и Архей  (устар. Архебактерий). На первый взгляд  кажется, что между кроликом, розой, подосиновиком и цианобактерией нет ничего общего, чтобы могло  бы их объединить и указать на общность происхождения. Однако это не так. Всех представителей перечисленных царств объединяет одна общая черта – клеточное строение. Клетка представляет собой наименьшую единицу, проявляющую признаки и свойства жизни. Существуют еще эволюционно неклеточные организмы – вирусы, но форма их организации подтверждает концепцию о том, что клетка  представляет собой основную форму жизни, поскольку они не способны к воспроизведению без помощи клетки, в которой паразитируют.

                Клетки существуют как самостоятельные клетки-организмы (Бактерии, Протисты) или входят в состав тканей многоклеточных организмов, представляя собой элементы, подчиненные целостному организму.

          По числу клеток различают одно-, мало- и многоклеточные живые существа. Человеческий организм является многоклеточным; новорожденный  состоит из 2 • 1012 клеток, а взрослый  – из ста триллионов (1014), включая симбионтов – бактерий желудочно-кишечного тракта  и кожных покровов.  Существуют эволюционно неклеточные организмы, вторично потерявшие клеточное строение (например, некоторые водоросли). Каждая отдельная клетка обладает всеми признаками самостоятельного организма. В клетках многоклеточных организмов, вследствие их специализации, отдельные из этих признаков могут претерпевать изменения или ограничения.

             Возникновение многоклеточности привело к специализации отдельных клеток, разделению функций между ними, формированию разных типов клеток. В организме человека насчитывается более двухсот клеточных типов. (Совсем недавно открыты стволовые клетки, дендритные клетки и третий тип клеток в сетчатке глаза, наряду с палочками и колбочками). В процессе морфофункциональной дифференцировки (лат. differentia – различие) клеток в тканях многоклеточных организмов возникли элементарные структуры, в значительной степени, отклоняющиеся от типичной клетки. Такие отклонения могут идти как в сторону усложнения, например, крупные многоядерные комплексы (симпласты, синцитии, плазмодии), так и в сторону упрощения организации строения, например, лишенные ядер зрелые эритроциты млекопитающих.

               В зависимости от наличия ядерного аппарата выделяют два типа клеток: прокариоты, то есть клетки, не имеющие морфологически обособленного ядра, и эукариоты – клетки, ядерное содержимое которых обособлено от цитоплазмы. К прокариотам относятся бактерии, цианобактерии (устар. – сине-зеленые водоросли) и актиномицеты, а к эукариотам – водоросли, грибы, клетки высших растений и животных. Различают половые клетки – гаметы и соматические – остальные клетки тела. Размеры клеток колеблются от 1 мкм до нескольких сантиметров в диаметре (например, яйцеклетки рыб и птиц).

         В многоклеточных организмах клетки представляют собой элементы, подчиненные целостному организму. Интеграцию клеток осуществляют гуморальная, нервная, иммунная и эндокринная системы. Согласно взглядам В.Я. Александрова и М.Д. Голубовского, клетка владеет разными видами целесообразного поведения, что у человека называется эрудиция и ум. Клеточная «эрудиция» – хранение большого набора генетических программ; клеточный «ум» – способность включать в определенных условиях соответствующую программу поведения (в ответ на стресс клетки генерируют изменение своих компонентов и приступают к поиску адаптивных генетических программ поведения). Клетки нашего организма общаются между собой на химическом языке, выделяя особые физиологические вещества - информоны. К их числу относятся медиаторы, выделяющиеся из нервных окончаний непосредственно на поверхность той клетки, которой адресован сигнал, модуляторы, диффундирующие в окружающее пространство и меняющие состояние близлежащих клеток, а также гормоны. Гормоны выделяются специализированными клетками эндокринных желез и разносятся током крови по всему организму, воздействуя на клетки-мишени, в которых есть рецепторы, способ-

ные распознать молекулы гормона.

      Организм человека построен приблизительно из десяти триллионов клеток, которые формируют четыре основных типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. Каждая ткань представлена многочисленными клеточными типами. К настоящему времени изучена структура и функция около 200 фенотипов клеток, приспособленных для выполнения многочисленных функций. Клеточный фенотип зависит от того, какие гены в них экспрессируются, т.е. работают. Хотя все клетки имеют одинаковый генетический материал в пределах одной особи, тем не менее, клеточные типы отличаются друг от друга фенотипами. Нервная клетка отличается от мышечной, соединительной или эпителиальной клеток. 

          Клетка – один из основных структурно-функциональных  элементов живой материи, ее элементарная живая система, обладающая всеми  важнейшими характеристиками  живого. Мы изучаем клетки, чтобы понять, каково их молекулярное строение, с одной стороны, и чтобы выяснить, как они взаимодействуют между собой в процессе развития столь сложного организма, как человек – с другой.

Основные хронологические вехи в изучении клетки

1665 г. - английский  физик Роберт Гук усовершенствовал  микроскоп (добавил конденсор для лучшего освещения объекта) и предложил использовать этот прибор для изучения различных объектов. Рассматривая под микроскопом тонкий срез пробки дерева, Гук впервые увидел ячейки, похожие на пчелиные соты. Единице, входящей в состав увиденной им структуры, он присвоил название «клетка» (англ. - cell, лат. - cellula, греч. - kytos). Изучая свежий срез стебля бузины и других растений, он также обнаружил, что клетки заполнены «питательным соком». Таким образом, Р. Гук, внедряя увеличительный прибор в научную деятельность, попутно открыл клетку и установил клеточное строение стебля растений.

1671 г. - англичанин  Неемия Грю, исследуя под микроскопом  органы растений обнаружил, отдаленную аналогию в строении мануфактурной ткани и строении органов растений. На основании такого сравнения он вводит понятие «ткань» в науку, изучающую морфологию растений. Позднее понятие «ткань» стало основополагающим понятием гистологии (науки о тканях).

1674 г. - голландский  натуралист Антони Ван Левенгук  первым открыл простейших, бактерии, пластиды, сперматозоиды животных, дрожжевые грибки, эритроциты лягушки и мн. др. микроструктуры живых и неживых объектов.

1781 г. – итальянский естествоиспытатель Феликс Фонтана первый увидел и изобразил на рисунках клетки животных с ядрами.

1831 г. – шотландский ученый Роберт Броун описал в клетках листьев орхидеи структуру, которой дал название «ядро» (лат. - nucleus, греч. - canon) и ввел одноименное понятие в науку.

1838 г. – немецкий зоолог Теодор Шванн обосновал клеточную теорию строения растительных и животных организмов.

1840 г. – Николай Железнов впервые описал амитоз. Амитоз (греч. отрицательная приставка a-, mitos - нить) прямое деление ядра - деление клеточного ядра на две или несколько частей без образования хромосом и ахроматинового веретена.

1856 г. – немецкий патолог, анатом Рудольф Вирхов дополнил клеточную теорию утверждением: «Omhis cellula е cellula» - «Всякая клетка от клетки». Это утверждение (закон Вирхова) акцентирует внимание на то, что клетка не может возникнуть из неживого вещества, а рождается путем деления материнской клетки.

1874 г. – французский гистолог Жан Батист Карнуа вводит понятие «биология клетки», которое определяет начало цитологии (греч. cytos - клетка, logos - учение) как науки о форме, организации, функции и эволюции клеток.

1875 г. – Эдвард Адольф Страсбургер впервые подробно описал митоз и хромосомы.

1878 г. – Петр Иванович Перемежко открыл и описал митоз в животных клетках.

1879-1882 гг. - немецкий гистолог Вальтер  Флеминг описал очередность фаз  митоза в животных клетках. Ввел  термины хроматин, митоз, амитоз, кариокинез.

1882 г. – Вальтер Флеминг описал мейоз в клетках животных, а польский ботаник Адольф Страсбургер - в клетках растений. Позднее (1882) Страсбургер предложил термины профаза, метафаза, анафаза, гаплоидное и диплоидное число хромосом.

1890г. – Альтман обнаружил митохондрии с помощью специального окрашивания.

1898г. – итальянский гистолог Камилло Гольджи, окрашивая нервные клетки азотнокислым серебром, открыл в цитоплазме сетчатый аппарат, впоследствии названный его именем, - комплекс, или аппарат Гольджи.

            Эукариотическая клетка - это элементарная, живая, саморегулирующаяся упорядоченная система биополимеров, отграниченная активной мембраной, состоящая из двух неразрывно связанных компонентов (ядра и цитоплазмы) и подчиненная высшим регуляторным механизмам целостного организма (нервной, гуморальной, иммунной и эндокринной систем).                    

 Наука о строении, функциях, развитии и происхождении клеток животных и растений, а также одноклеточных организмов и бактерий называется цитологией (греч. kytos – клетка + logos учение). В настоящее время в цитологии сформировалось шесть основных направлений:

1) цитоморфологии, изучающей особенности структурной организации клетки, основными методами исследования которой служат различные способы микроскопии как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная микроскопия), так и живой клетки (фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия);

   2) цитофизиологии, изучающей жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие ее внутриклеточных структур; для решения этих задач применяют различные экспериментальные приемы в сочетании с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки и микрургии;

 3) цитохимии, исследующей молекулярную организацию клетки и ее отдельных компонентов, а также химические изменения, связанные с процессами обмена веществ и функциями клетки; цитохимические исследования проводят светомикроскопическим и электронно-микроскопическим методами, методами цитофотометрии, авторадиографии и фракционного центрифугирования  с последующим химическим анализом различных фракций клетки;

 4) цитогенетики, изучающей закономерности структурной и функциональной организации хромосом эукариотных организмов;

 5) цитоэкологии, исследующей реакции клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним;

 6) цитопатологии, предметом которой является изучение патологических процессов в клетке.

Предмет, задачи и методы цитологии

            Различают общую и частную цитологию. Общая цитология (биология клетки) изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции, обмен веществ, реакции на повреждение, патологические и репаративные процессы и приспособление к условиям среды. Частная цитология исследует особенности отдельных типов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или у протистов и бактерий.

     Предметом изучения цитологии являются клетки организмов  трёх доменов  живой природы – Архей, Протистов и Эукариот. Задачи цитологии – установление  происхождения, а также закономерностей  строения, функционирования, деления, трансформации, специализации и эволюции клеток. Решение этих задач облегчит  борьбу с паразитами, онкологическими заболеваниями и старением организма человека.

Для решения этих задач в цитологии используются следующие методы:

          Цитологическое  исследование широко применяется не только в биологии, но и в медицине – для диагностики различных заболеваний. При цитологическом исследовании, в отличие от гистологического, требуется меньшее количество материала (отдельные клетки, их комплексы), из которого можно в течение нескольких минут приготовить цитологический препарат (мазок, отпечаток), как правило, без длительной предварительной обработки и, не прибегая к помощи специальной аппаратуры. Цитологическое исследование позволяет оценить изменения лишь на ограниченном участке изучаемого материала. В тех случаях, когда требуется выявить взаимное расположение клеток и межклеточного вещества в исследуемых тканях, применяют гистологическое исследование.

             Цитологическое исследование в хирургии применяют чаще с целью изучения в динамике раневого экссудата (отделяемого раны). При этом удается установить характер раневого процесса, проследить эффективность обработки раны и динамику ее заживления, оценить, в известной мере, иммунные свойства организма, его местные регенераторные возможности. Так, например, появление в препаратах-отпечатках лимфоцитов и моноцитов свидетельствует об эффективности проводимого лечения, хорошем прогнозе; наличие в экссудате большого числа плазматических клеток  указывает на затяжное течение процесса.

             Цитологическое исследование в онкологии позволяет устанавливать принадлежность клеток к злокачественной опухоли  на основании обнаружения в них большинства признаков злокачественности (полиморфизм клеток, ядер, ядрышек, атипия ядер, нарастание числа митозов и др.).

             Цитологическое исследование в акушерстве и гинекологии проводится с целью выявления особенностей гормонального статуса, предопухолевых заболеваний и рака женских половых органов. Материалом для цитологического исследования служат влагалищные мазки, мазки-отпечатки, поверхностные соскобы со слизистой оболочки женских половых органов, аспирированный материал из эндометрия и тканевые пунктаты (из опухолей яичников и др.).

Развитие цитологии исторически связано с созданием и усовершенствованием микроскопа и гистологических методов исследования. Важным этапом в развитии цитологии было создание клеточной теории .

Клеточная теория, история создания и значение

              Клеточная теория – первое и наиболее важное теоретическое обобщение в биологической науке. В отличие от конкретных теорий физики и химии, клеточная теория представляет собой  констатацию  важнейших открытий и  концепций, созданных трудом многих  ученых (лат. conceptio – трактовка какого-либо явления, процесса). Центром внимания в этой теории  является клетка, при этом обычно  имеют в виду определенное понятие, включающее в себя структурный и функциональный аспекты. Следует отметить, что создание клеточной теории стало возможным благодаря   микроскопическому методу исследования строения различных органов растений и животных. В связи с этим прогресс в изучении клетки был обусловлен  развитием оптики,  постоянным совершенствованием  микроскопов и методов исследования клетки.

       Первый микроскоп, изготовленный Галилео Галилеем  в 1609 г., представлял собою трубу  с двумя линзами и не позволял  детально  изучать  мелкие объекты. В 1665 г. секретарь Лондонского королевского научного общества, физик Роберт Гук, отличавшийся большой изобретательностью, усовершенствовал микроскоп, снабдив его конденсором. Рассматривая под своим микроскопом тонкий срез пробки, Гук обнаружил, что она построена из маленьких ничем не заполненных ячеек, разделенных тонкими стенками. Он назвал эти  ячейки клетками, так как они напоминали ему монастырские кельи (англ. сell – келья, камера, клетка). Исследуя  различные части других растений (лопуха, папоротника и др.), он обнаружил тот же план строения, что и у пробки.  Однако это не было открытием клетки в современном понимании. Да и сам Гук не придал этому большого значения, поскольку он преследовал лишь цель показать возможности нового физического инструмента. Тем не менее, факты, открытые Гуком, послужили стимулом для новых исследований.

        Итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги начал изучать  клеточное строение органов растений. Он правильно описал сосудисто-проводящие пучки корней, стеблей и листьев. Англичанин Неемия  Грю впервые вводит в биологию понятие «ткани» – совокупности однотипных клеток и межклеточного вещества.

        Голландский натуралист Антони ван Левенгук первым открыл простейших (1674), бактерии (1676), пластиды (1676), сперматозоды животных (1677), дрожжевые грибки (1680), эритроциты лягушки, в которых заметил ядра (1680), жгутиковых простейших (1681) и многие другие микроскопические существа.

           Долгое время основным структурным компонентом клетки признавалась ее оболочка.   В 1825 г. чешский ученый Ян Пуркинье  показал, что внутри клетки находится студенистое вещество и назвал его протоплазмой  (греч. – protos – первичный,  plasma – образование). Он  первым выдвинул положение, что тело животных состоит из клеток, описал ядро в яйцеклетке курицы (1825).  Под впечатление этого открытия,  русский академик Карл фон Бэр начал изучать фолликулы яичника (Граафовы пузырьки) собаки и открыл яйцеклетку – женскую половую клетку млекопитающих.  Спустя шесть лет  шотландский ботаник Роберт Броун обнаружил ядро в  клетках кожицы листа орхидеи и  на основании многочисленных исследований сделал вывод, что ядро присутствует во всех клетках растений.

       Структуры клеток  растений и животных описывались  разными учеными неоднократно, однако, в то время клеточному строению  организмов не придавали значения  и не рассматривали клетку  как элементарную единицу и  основу жизни. (Справедливости  ради  следует отметить, что в 1834 г. профессор  П.Ф. Горянинов назвал клетку универсальной моделью  организации живых существ). 

       Ученых того  времени волновал вопрос образования  новых клеток. В 1837 г. немецкий ботаник  Маттиас Шлейден предложил гипотезу  образования растительных клеток  из бесструктурной  плазмы. В дальнейшем  эта концепция клеткообразования  оказалась ошибочной и была  опровергнута.

        В 1838 г. немецкий зоолог Теодор Шванн, собрал все доступные ему разрозненные идеи и наблюдения многих ученых (в том числе и гипотезу клеткообразования Шлейдена) в единую теорию, утверждавшую: 1) клетка является основным элементом жизни; 2) любые организмы состоят из одной или многих клеток. Весь собранный материал  в 1839 г. он опубликовал в книге «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Начиная с этого времени стали говорить о клеточной теории как научном обобщении.

        Огромный вклад  в историю учения о клетке  внес выдающийся немецкий ученый  биолог и врач Рудольф ВирхÓв.  Своими исследованиями он  показал, что главным компонентом клетки является не оболочка, а ядро.  Он опроверг гипотезу образования новых клеток из бесструктурного клеточного вещества (цитобластемы) и дополнил клеточную теорию фундаментальным положением: «Omnis cellula е cellulae» – «Всякая клетка от клетки». Иными словами, он доказал, что новые клетки образуются только в результате деления материнской клетки и не могут возникнуть de novo из бесклеточного вещества (закон Вирхова). Представления Вирхова о преемственности клеточных поколений послужили стимулом нового подхода к изучению материальных основ наследственности и способствовали зарождению генетики.

          В 1858 г. появилась книга Р. Вирхова  «Патология, основанная на клеточной теории», или,  как ее часто переводят,  «Целлюлярная патология». Концепции, развиваемые в этой книге оказали   решающее значение для развития  биологии и медицины второй  половины  ХIХ века. Обосновав теорию, что любая болезнь есть сумма нарушений, происходящих в клетках, а организм – государство клеток, он стал основоположником  важнейшей медицинской морфологической дисциплины – патологической анатомии.

 “Важнейшее значение этого  труда, – отмечает академик Д.С.Саркисов, – определяется тем, что изложенная  в нем целлюлярная (клеточная) патология  знаменовала собой следующий  шаг вперед в поисках местонахождения  болезней  – от  органного уровня  к клеточному. Таким образом, с  появлением целлюлярной патологии  стало возможным более точно  и конкретно связывать нарушение  функции с повреждением тех  или иных клеточных типов”. 

            Всеобщность клеточного строения животных и растений стимулировала развитие многих наук. Сравнительная  анатомия получили возможность распространить свои принципы на клеточный уровень организации. Физиология стала в значительной мере физиологией клетки. Отсюда выросла общая физиология, занявшая свое место рядом с физиологией органов высших животных. Эмбриология стала твердо на ноги также лишь после установления клеточного учения. Патология смогла покончить с донаучными представлениями о населяющих человеческий организм «добрых» и «злых» силах, борьбой которых и объяснялось возникновение болезней, а также исключить такие «причины» болезни, как божья кара, сглаз и мн. др.  

        Клеточная теория утвердила факт существования зависимости между структурой и функцией. Структуру организма, то есть, то из чего он построен,  изучает  морфология –  наука о форме. В развитии этой науки отмечают три периода: макроскопический (органный), микроскопический (клеточный) и ультрамикроскопический (органоидный).  До создания  клеточной теории  морфологические исследования проводились на макроскопическом (анатомическом) уровне.  Изучение структуры  при различных болезнях ограничивалось регистрацией  цвета, размеров, грубых повреждений, обызвествлений  и других изменений  органов. (Отголосками этого периода являются дошедшие до нас такие выражения как «бычье сердце» ….. «гусиная печень»… и др). Естественно, что при некоторых явных изменениях функции, обнаружить визуально ранние структурные изменения в органе было невозможно.  В связи с этим, в медицине сложилось ошибочное представление о функциональных изменениях без нарушения структуры.

          Клеточная  теория ознаменовала начало второго, микроскопического, периода развития  морфологии. Световая микроскопия  позволяла выявлять более ранние  изменения в органе, но и ее  данных не хватало для того, чтобы развеять широко распространенный  в медицине миф о чисто функциональных  расстройствах в развитии болезни. 

       Следующая важная  для изучения клетки дата  –  это 1874 г., когда французский гистолог  Жан Батист Карнуа предложил  использовать понятие «биология  клетки», которое определило начало  формирования цитологии (греч. kytos – клетка, logos – учение) как науки о структуре, биохимии, физиологии и эволюции клетки.

        Время последней четверти  XIX в. является в истории науки особенно бурным периодом изучения клеточного ядра. В 1875 г. польский ботаник Эдвард Адольф Страсбургер впервые подробно изучил   митоз и мейоз в растительной клетке; предложил термины профаза, метафаза, анафаза, гаплоидное и диплоидное число хромосом.  Петр Иванович Перемежко в 1878 г. открыл и описал митоз в животной клетке. Для обозначения наследственных структур клеточного  ядра В. Вальдейер    предложил использовать термин «хромосома» (1883).  Немецкий ученый Вальтер Флеминг изучил мейоз в животной клетке,  проследил последовательность превращения хроматина в хромосомы; ввел в цитологию термины хроматин, митоз, амитоз.